碳中和：从化石基经济到生物基经济
从化石基经济到生物基经济：现状与展望
2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会中提出中国将力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，拉开了我国低碳经济时代的序幕。工业革命以来，人类一直将石油、天然气等化石能源作为交通运输、化学品制造的能源来源，但是一方面化石能源总量有限、难以在短时间内再生，另一方面其燃烧过程中会产生大量的二氧化碳，使全球气温升高，危机人类生存。在碳中和与能源枯竭的背景下，能源转型迫在眉睫。
从传统化石基经济向可持续生物基经济模式过渡，将在缓解化石燃料日益枯竭问题的同时，极大地促进区域和国家在应对气候变化背景下长期脱碳目标的实现，为可持续发展目标的推进带来重要机遇。因此，明确生物质资源的相关概念以及发展现状，对于我国坚定不移地走绿色低碳的高质量发展道路具有深远意义。
一
生物质资源简介
图一展示了生物质资源生产转化的产业链。
图1 生物质资源的种类、转化技术和最终用途
生物质资源的来源主要可以分为四大类：糖和淀粉作物、木质纤维素、油料作物以及城市固体废物和污水，不同的原料可以通过相应的生产加工过程得到不同用途的产品。
生物质资源转化为生物基产品和生物能源的途径也可以分为四大类：物理机械转化、化学转化、生物转化以及新兴技术转化方法。
物理转化通常作为其他转化方法的前序处理步骤，通常只改变形态而不改变其本质特性；化学方法是将生物质气化变成氢气、一氧化碳等生物燃气，再经过特定催化剂，将其催化合成液体燃料；生物方法则是将生物质转化为糖，通过微生物进行发酵，从而产生沼气、乙醇等化学品和液体燃料；新兴的生物质转化利用技术能够显著提高转化效率和产量，但是目前大多处于基础研究状态，真正用于实践仍然需要经历漫长的实验过程。
生物质资源经过转化得到的最终产品主要包括生物基产品和生物能源两大类。目前，世界上近80%的生物质资源被用于生产生物能源，这些生物能源在工业、发电和运输等领域做出了重要贡献，未来也将成为该行业的发展重心。
二
生物质资源分布
图2 2018年世界主要农作物收获面积(103公顷)前10名
根据粮农组织的统计数据，可以得到世界各国不同类别作物的产量排名。从图二可以看出，粮食作物占土地面积较大的国家主要是中国、印度和美国，而能源作物占土地面积最高的国家主要是印度、印尼和巴西，这张图也从侧面描绘出了目前世界各国的能源作物储备现状。
图3 全球林地面积分布（基于2016-2020年的平均值）
现阶段，全球森林面积超过40亿公顷，约占陆地总面积的31%，拥有地球植物总生物量的80%。从图三可以看出，世界上超过54%的森林分布在五个国家：俄罗斯（20%）、巴西（12%）、加拿大（9%）、美国（8%）和中国（5%）。人工森林的比例在南美洲最高，在欧洲最低。但问题的关键不在于我们拥有多少，而在于我们如何高效利用这些生物资源。可是目前，在非洲、南美洲和亚洲的部分地区，人们仍然会将农作物秸秆直接燃烧，以中国为例，尽管2000年以来中国禁止了开放式生物质燃烧，但是每年仍然有7%-28%的作物残基在田间直接焚烧，对空气质量造成了不可逆转的严重破坏。
三
生物质可持续性评估
由于生物质具有种类繁多、分布广泛等特性，对生物质的潜力和可持续性进行评估是一件十分困难的事情。学者们已经基于各种生物理论并结合地理学的信息技术开发出了多种评估方法，本文作者站在前人的肩膀上，进一步提出了一个新的综合指标框架。这一框架将环境影响和经济社会影响同时纳入考量，搭建了一个包含着影响生物质可持续性的多种因素的分析框架，指出可以通过生物系统内部自循环实现环境保护、通过生物质能贸易解决资源在时间和空间上分配不均的问题，力求在可持续发展的核心思想指导下最大限度地减少内在冲突，最大化各方共同利益。
图4 评估生物质可持续性的环境-社会-经济指标框架
培育可持续的生物能源将极大地促进区域和国家在当前碳中和愿景下的长期脱碳目标，为实现可持续发展带来巨大机遇。在实现经济转型的同时，生物基材料和生物能源也是提高民生质量、保障国家能源和粮食安全的重要战略性产品。
尽管生物基产品具有诸多优良特性，但是受限于目前的技术和经济社会现状，想要完全替代化石燃料仍然有不小的阻力。例如，生物资源分散式分布的特性导致生物燃料的生产需要高成本的原料运输、大容量的存储体系和高效的管理系统，而这些无一例外需要大额的资金投入；大力发展生物燃料将不可避免地重视优先发展能源作物，挤占粮食用地，从而危及到粮食安全。因此，政策制定者应当综合各类不确定性，因地制宜地制定可持续发展计划，我们作为生物基经济的最终受益者，也应当对生物能源的发展给予更多耐心。
我们可以乐观地预测，在未来，随着研究的深入和关键技术的突破，生物能源和生物基产品将迎来发展的黄金时期。
原文信息：
Yang, L., Wang, X. C., Dai, M., Chen, B., Qiao, Y., Deng, H., ... & Wang, Y. (2021). Shifting from fossil-based economy to bio-based economy: Status quo, challenges, and prospects. Energy, 120533.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120533
内容：曲晓晴
编辑：孙喜庆
审核：何可汉、成璐
图片来源于网络，侵删
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